فناوری نانو در صنعت ساخت و ساز

1.نانو تکنولوژی در بتن

علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان می‌شوند، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده می‌شوند. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد. از حدود ۸۰ سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گسترده‌ای در بتن‌های پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است. علم نانو مربوط است به اندازه‌گیری و توصیف ساختار مواد پایه سیمانی در مقیاس نانو و میکرو برای درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو) و عملکرد آن از طریق استفاده از تکنیک‌های پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی. نانو مهندسی شامل تکنیک‌های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت‌های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده‌آل است و حتی می‌توان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا و ... به وجود آورد. فعالیت‌های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش‌های سیمانی و مشاهده تاثیرات آنها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.تحقیقات بسیاری در زمینه بکارگیری فناوری نانو در ساختمان بتن در حال انجام است به منظور درک این مطلب در سطح علم پایه از فناوری‌هایی مانند: میکروسکپ‌های AFM, SEM, FIB که برای مطالعه در مقیاس نانو ساخته شده‌اند استفاده می‌شود.

2.نانوفوتونیک (Nano Photonic)

نانو فوتونیک به معنی مطالعه پخش نور وتشخیص نور(Light emitting and Light sensing) در مقیاس نانواست. کنترل حرکت الکترون‌ها به وسیله کریستال‌های نیمه هادی، راه رابرای فناوری‌های جدیدی باز کرده و درسایه این فناوری‌ها، زندگی برای نسل‌های آینده بسیارراحت خواهد شد. تاکنون ابزار الکترونیکی بسیاری ازقبیل؛ کامپیوتر،CD player و .... وارد زندگی ما شده است. اما تاثیر الکترون‌ها بریکدیگر و سرعت پایین آنها، دانشمندان را به طرف آرایش‌های جدید اتمی کشانده است در سال ۱۹۸۷ ساختار پریودیک فوتونیک نشان داده که نور صاحب باند ممنوعه است، کنترل حرکت نور یک انقلاب در دنیای الکترونیک به شمار می‌رود. فوتون‌ها (کوانتوم‌های نور) هم به همدیگر بی تاثیر وهم نسبت به الکترون‌ها هزاران برابر سرعت را دارا هستند، به همین دلیل، مدارهای کاملاً" اپتیک، نسبت به مدارهای الکترونیکی بسیار سریعتر کارمی کنند ودر آینده نزدیک قرن الکترونیک جای خود را به قرن فوتونیک خواهد داد. کریستال‌های فوتونیک، ازآرایش ابزار دی الکتریک ویا متالیک، به طورمتناوب به صورت‌های یک، دو ویا سه بعدی تنظیم وبه دست می‌آیند. ساختارهای نانوفوتونیک با توانائی کنترل حرکت نور و تغییر مشخصه‌ها، راه را برای علوم وفناوری‌های بسیاری بازکرده است. مدارهای کاملاً" اپتیک در خطوط ارتباطی آینده نقش بسیار مهمی را بازی خواهند کرد. طاووس تمام جذابیت خود را مدیون کریستال‌های نانو فوتونیک موجود در پرهای خود است.

3.نانو پوشش‌های هوشمند

نانو پوششهای هوشمند، از جمله مهم ترین دستاوردهای بهره‌گیری از فناوری نانو در عرصه ساخت و تولید پوشش‌ها به شمار می‌روند که علاوه بر کارکردهای گوناگون و چند منظوره، انتظارات مصرف کنند را در زمینه صرفه جویی در هزینه و انرژی برآورده می‌سازند. مواد نانو ساختار در پوشش‌های هوشمند ضد خوردگی، ضد رادار، تصفیه کننده هوا، تمیز کننده سطوح و پوشش‌های زیست فعال بکار می‌روند. این مواد با بهره‌گیری از برخی عوامل محیطی از جمله نور، گرما و یا با حساسیت به برخی تغییرات شیمیایی همچون وقوع واکنش خوردگی، عکس العمل مناسب و کارکردهای مورد انتظار را بروز می‌دهند. در اینجا نقش نانوذرات در عملکرد هوشمندانه هر یک از پوشش‌های فوق مورد بررسی قرار می‌گیرد.

4.نانوپوشش‌های هوشمند ضدخوردگی

به کارگیری نانوذرات در ساخت پوشش‌های ضدخوردگی، از جمله مهم ترین دستاوردهای فناوری نانو است. از کارکردهای مهم نانوذرات در پوشش‌های حفاظتی می‌توان به بهبود خواص سدکنندگی، محافظت آندی، کاتدی و افزایش خواص چسبندگی اشاره کرده. استفاده از نانوذرات به عنوان حامل بازدارنده‌های خوردگی نیز از کارکردهای غیرمستقیم حفاظتی نانوذرات در ساخت پوشش‌های هوشمند است. نانوذرات با توجه به برخورداری از ویژگی‌هایی نظیر سطح جانبی و واکنش پذیری شیمیایی بالا قادرند درصد بالایی از ذرات بازدارنده خوردگی را بر روی خود حمل کنند.اصل مهم در استفاده از نانو ذرات برای پوشش‌های هوشمند، انتخاب نوعی از نانوذره است که بتواند گونه‌ای از اتصالات موقت یا بازدارنده‌ها را ایجاد کند که به محض آزاد شدن محصولات جانبی خوردگی، این اتصالات شکسته شده و آزادسازی بازدارنده در محیط ممکن گردد.در دسته‌ای از نانوپوشش‌های هوشمند ضدخوردگی، اتصالات ایجاد شده میان نانوذره و بازدارنده نسبت به یون‌های هیدروکسید که از محصولات جانبی عمده در فرایندهای خوردگی فلزات هستند حساس بوده و به محض آزاد شدن آن در محیط، اتصالات شکسته شده و بازدارنده به طرف محل آسیب دیده حرکت می‌کند. بازدارنده به طرف آسیب دیده حرکت می‌کند. بازدارنده در واکنش با عوامل خورنده احیا شده، اکسیدهای نامحلولی ایجاد می‌کند که بر روی سطح فلز رسوب و از نفوذ الکترولیت به سطح فلز جلوگیری می‌کند و موجب غیرفعالی شدن آن می‌گردند.از مهم ترین مزایای این دسته از پوشش‌ها عدم بکارگیری برخی بازدارنده‌های شیمیایی نظیر کروماتهاست که به شدت سرطان زا هستند. استفاده از بازدارنده‌هایی نظیر کرومات‌ها در پوشش‌های غیرهوشمند به دلیل آزادسازی مداوم آنها حتی هنگام ایجاد نشدن واکنش خوردگی، موجب مصرف مقادیر بسیار زیاد و بی‌رویه می‌شد که خطرات زیست محیطی بسیاری را به دنبال داشت.

5.نانوپوشش‌های هوشمند تصفیه کننده هوا

نانوپوشش‌های تصفیه کننده هوا بر روی سطوح خارجی ساختمان‌ها و جاده‌ها به ویژه در نقاط پرتردد و دارای آلودگی بالا قابل استفاده هستند. به کارگیری این پوشش‌ها یکی از راه‌های کاهش خسارات ناشی از آلودگی هوا، به ویژه کاهش درصد NOX و VOC محیط محسوب می‌گردد.هم اکنون این نوع پوشش‌ها به دو شکل پوشش‌های آلی و غیرآلی تولید می‌شوند. عامل تأثیر گذار مهم در عملکرد این دسته از پوشش‌های هوشمند، اکسیدهای فلزی نیمه هادی و فوتوکاتالیست‌هایی نظیر CdS, WO3 , TiO2 و ZnO است که از میان آنها استفاده از TiO2 و یا دی اکسید تیتانیوم به دلیل پایداری شیمیایی بالا، سمیت پایین و ارزان بودن رایج تر است. یکی دیگر از مهم ترین اجزای سازنده این دسته از نانوپوشش‌ها انواع نمک‌های کربنات است که شامل کربنات کلسیم، کربنات روی، کربنات منیزیم و یا مخلوطی از آنهاست که رایج ترین آنها کربنات کلسیم است. این ترکیب می‌تواند ماده حاصل از واکنش فوتوکاتالیستی میان رادیکال‌های آزاد تولید شده روی سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیوم با NO و یا NO2 را به نمک‌های معدنی کم خطر تبدیل کند.

6.رنگ های تصفیه کننده هوا

محصولی که در این رابطه به تازگی اختراع شده و در حال حاضر به تولید صنعتی نیز رسیده است اولین رنگ تصفیه کننده هوا ناکسوت نام دارد. این محصول که حاصل تحقیقات گسترده از گروه کنسرسیومی به نام پیکادا از اتحادیه اروپا می باشد در کشور فیلیپین و با همکاری مستقیم کمپانی کریستال اکتیو از کشور انگلستان به تولید انبوه رسیده است.
ناکسوت هوا را پاك مى كند و طى يك واكنش شيميايى، اكسيدهاى سمى نيتروژن مانند مونوکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن حاصل از احتراق موتور خودروها و فعاليت كارخانجات و نيروگاه ها و غيره را خنثى و بى ضرر مى كند .
بکارگیری دی اکسید تیتانیوم نانو سبب خاصیت فتوکاتالیستی در ناکسوت شده است. این امر همچنین باعث خواص آنتی باکتریال، خودشویندگی و از بین برندگی بو در رنگ ناکسوت شده است. ناکسوت با تبدیل سطوح رنگ شده به تصفیه کننده هوا راهی مقرون به صرفه در رسیدن به هوای پاک تر برای همه مهیا کرده است.
ذرات نانوی دی اکسید تیتانیوم (TiO2) موجود در کریستال اکتیو CristalActiv™ انرژی لازم را از نور خورشید و اشعه ماورای بنفش دریافت کرده و در حضور رطوب و بخار آب موجود در هوا،رادیکالهای هیدروکسیل و پروکسیل آزاد می نماید.این رادیکال های آزاد ایجاد شده در میلیاردم ثانیه، سبب واکنشی خواهد شد که باعث شکسته شدن اکسیدهای نیتروژن (NOx) موجود در هوا می شود. این ذرات شکسته شده با ذرات کربنات کلسیم قلیائی موجود در رنگ خنثی می شود و مقادیر بی ضرر از نیترات کلسیم و مقادیر ناچیز از دی اکسید کربن و آب تولید می گردد. نیترات کلسیم محلول در آب است و به راحتی از سطح رنگ جدا شده که این امر باعث آمادگی سطح رنگ برای واکنش بعدی خواهد شد.

7.نانوپوشش‌های خود تمیز شونده

برآمدگی‌های میکروسکوپی بر روی برگ یک نیلوفر آبی، سطح مومسان آن را به سطحی ابرآب گریز تبدیل می‌کند که به شدت دافع آب است. قطرات باران به آسانی در سراسر چنین سطحی غلتیده، هر گونه آلودگی را حذف می‌کند. محققان مواد مصنوعی خودتمیزشونده‌ای را تولید کرده‌اند که «اثر نیلوفر آبی» هستند. این در حالی برخی از آنها مبتنی براین است که دیگران، از خصوصیت متقابل یعنی ابرآب دوستی و واکنش‌های شیمیایی کاتالیستی بهره می‌گیرند. محصولات آینده ممکن است دو ویژگی آبدوستی و آبگریزی را با یکدیگر ترکیب کنند و یا از موادی با قابلیت کلیدزنی استفاده کنند و به این شکل جریان مایعات را در اجزای میکروسیالی کنترل کنند. ویلیام بارتلات (کاشف و توسعه دهنده اثر نیلوفر آبی )از دانشگاه بُن آلمان، چشم اندازی از یک شهر منهتن خودتمیزشونده را مطرح نموده است که در آن یک باران کوچک، پنجره‌ها و دیوارهای آسمان خراش‌ها را همانند یک نیلوفر آبی کاملاً تمیز می‌کند. در جایی دیگر، وی چادرها و سایبان‌هایی را معرفی می‌کند که با استفاده از بافت‌های جدید و بدون مداخلهٔ انسان، تمیز و بدون لک باقی می‌مانند.

8.شیشه‌های هوشمند

از قابلیت‌های شیشه‌های هوشمند (SMART GLASS) امکان تغییر میزان شفافیت و رنگ شیشه می‌باشد که می‌توانند در کنترل شدت نور و کاهش تلفات انرژی، نقش مؤثری ایفا کنند و بدین ترتیب باعث کاهش ورود اشعه ماوراء بنفش به محیط شده و از عوارض تخریبی آن بر پوست بدن و لوازم منزل جلوگیری کنند و به علاوه نیاز به پرده و لوازم جانبی آن را در ساختمان برطرف می‌کنند.

9.مواد نانو کامپوزیت

مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری) اولین بار در سال‌های ۷۰ معرفی شده‌اند که از فناوری sol-gel جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است.